中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院

過熱蒸汽驅(qū)的模擬

田一鳴中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院

近年河南油田采用更高的蒸汽溫度（370℃）進(jìn)行過熱蒸汽驅(qū)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)。選用的是CRZF—02型蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器可滿足320～370℃的高溫、高壓要求。溫度的檢測(cè)和控制是該實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的因素與環(huán)節(jié)。井樓三區(qū)Ⅲ6層原油屬特稠油，數(shù)模研究結(jié)果表明，過熱蒸汽開采能明顯地提高蒸汽的波及體積。從井樓油田特超稠油高溫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，純蒸汽殘余油飽和度低（12.5%～17.3%），驅(qū)油效率高（73.1%～80.8%）；蒸汽干度提高10%，殘余油飽和度降低1.5%，驅(qū)油效率提高2.3%。

過熱蒸汽驅(qū)；模擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)?zāi)K；特稠油層

1 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型。近年河南油田采用更高的蒸汽溫度（370℃）進(jìn)行過熱蒸汽驅(qū)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)。選用的是CRZF—02型蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器可滿足320～370℃的高溫、高壓要求。

（2）壓力檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。測(cè)壓采用串聯(lián)階梯式測(cè)量方式，選用3支不同量程的壓力傳感器并聯(lián)連接，中間有氣動(dòng)閥控制，實(shí)驗(yàn)中由計(jì)算機(jī)檢測(cè)并通過開關(guān)電磁閥來控制氣動(dòng)閥自動(dòng)選擇傳感器，這樣可保證測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性。該壓力檢測(cè)系統(tǒng)的壓力傳感器及氣動(dòng)閥均選用美國(guó)進(jìn)口器件。在模型測(cè)壓口與壓力傳感器之間增加緩沖容器，這樣可有效防止驅(qū)替介質(zhì)進(jìn)入壓力傳感器，從而影響精度和損壞傳感器。

（3）溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。溫度的檢測(cè)和控制是該實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的因素與環(huán)節(jié)。由于溫度過高，為防止巖心出口汽化影響產(chǎn)出液計(jì)量，特在巖心出口處加入自動(dòng)循環(huán)冷卻裝置，這樣可保證產(chǎn)出液的穩(wěn)定計(jì)量，也可保障進(jìn)口回壓控制閥不因溫度過高而損壞。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K功能與特點(diǎn)

驅(qū)替動(dòng)力源模塊的組件包括：①蒸汽發(fā)生器（蒸汽溫度320℃、壓力≤25 MPa、蒸汽產(chǎn)出量2 kg/h）；②驅(qū)替泵（2×500mL，25MPa）；③高壓水容器（容積2 L，耐壓40 MPa）；④高壓油容器（容積2 L，耐壓40MPa）；⑤閥門管線（耐壓40MPa）。該模塊的功能：①生成驅(qū)替介質(zhì)（高溫、高壓水蒸氣）；②提供驅(qū)替動(dòng)力；③存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)液體。實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（單管的）見圖1。

圖1 高溫、高壓自動(dòng)蒸汽驅(qū)巖心驅(qū)替流程（單管）

儲(chǔ)層模擬模塊的組件包括：①1.2m和0.6m高溫、高壓填砂模型各2個(gè)（設(shè)計(jì)耐壓35MPa，設(shè)計(jì)耐溫400℃），壓力傳感器組（12組）；②溫度傳感器組（2×5+5個(gè)）；③恒溫控制箱（200℃，±1℃）；④模型支架。該模塊的功能是模擬實(shí)際稠油油藏環(huán)境。模塊特點(diǎn)包括：①單管每個(gè)填砂模型上設(shè)有5支溫度傳感器、5支壓力傳感器，雙管每個(gè)填砂模型上設(shè)有3支溫度傳感器、3支壓力傳感器。用于實(shí)時(shí)檢測(cè)模型中各點(diǎn)的溫度及壓力；②填砂模型長(zhǎng)度為1.2 m，設(shè)有保溫套；③并聯(lián)填砂模型長(zhǎng)度0.6m，設(shè)有保溫套。

冷凝及回壓控制模塊的組件包括：①冷凝器；②回壓控制器；③精密壓力表；④流程控制閥門、管線。該模塊的功能是冷卻蒸汽驅(qū)替產(chǎn)出油水混合物并模擬井底流壓。

溫度、壓力采集及自動(dòng)控制模塊的組件包括：①隔離容器（13個(gè)）；②壓力傳感器（13個(gè)）；③溫度傳感器（13個(gè)）；④電磁閥（24個(gè)）；⑤數(shù)據(jù)采集、處理計(jì)算機(jī)；⑥數(shù)據(jù)采集控制板卡；⑦控制電路；⑧空氣壓縮機(jī)。該模塊的功能是采集、傳輸、存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中的壓力數(shù)據(jù)。該模塊特點(diǎn)有兩個(gè)：一是壓力傳感器組前串接冷卻隔離容器，避免由于高溫而損壞傳感器；二是測(cè)壓采用串聯(lián)階梯式計(jì)量方式，3支不同量程的壓力傳感器串聯(lián)連接，中間由電磁閥隔開。

出口計(jì)量模塊的組件包括電子天平。

3 效果驗(yàn)證

過熱蒸汽驅(qū)效果較好的案例之一是井樓三區(qū)南部主力層Ⅲ6層。該層原油屬特超稠油，油區(qū)位于高莊南鼻狀構(gòu)造南部沿樓3107—樓3600井一線，目的層Ⅲ6物源來自于西南和東南方向。井樓三區(qū)南部主力層Ⅲ6小層地面原油密度0.959 8 g/cm3，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量為42%，含蠟量9.96%，含硫0.39%，凝固點(diǎn)21℃。油層溫度下脫氣原油黏度為18 749.0mPa·s，按國(guó)內(nèi)稠油分類標(biāo)準(zhǔn)，Ⅲ6層原油屬特稠油。該井組轉(zhuǎn)驅(qū)前蒸汽吞吐采出程度為19.3%，在蒸汽吞吐歷史擬合的基礎(chǔ)上進(jìn)行了過熱蒸汽驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)模研究。結(jié)果表明，過熱蒸汽開采能明顯地提高蒸汽的波及體積。濕蒸汽驅(qū)L3513井組蒸汽的波及面積為5 577m2，占井組控制面積的6.1%，絕大多數(shù)為熱水驅(qū)控制；過熱蒸汽驅(qū)L3513井組蒸汽的波及面積為22 834.8m2，占井組控制面積的24.9%，為濕蒸汽驅(qū)的4.1倍。

4 結(jié)論

（1）上述實(shí)驗(yàn)過程中，由玻璃纖維做成的加熱帶和保溫帶易損壞，應(yīng)防止玻璃纖維飄浮對(duì)身體造成傷害。建議制造一個(gè)保溫小烘箱和兩個(gè)保溫套，過熱蒸汽管線加熱高溫小烘箱，將過熱蒸汽管線及相連的三通等置于高溫小烘箱中，使蒸汽沿管線流動(dòng)過程中溫度穩(wěn)定、受控。模擬巖心入口加熱保溫套，控制保溫套內(nèi)溫度與實(shí)驗(yàn)所要求的蒸汽溫度一致，以保證進(jìn)入模擬巖心的蒸汽溫度符合實(shí)驗(yàn)要求。首先應(yīng)分別對(duì)保溫烘箱和保溫帽進(jìn)行單獨(dú)保溫、控溫試驗(yàn)，兩者在370℃溫度下穩(wěn)定運(yùn)行10 h以上，相應(yīng)的溫度控制儀控制、顯示穩(wěn)定。然后再連接流程進(jìn)行模擬巖心過熱蒸汽驅(qū)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，過熱蒸汽管線內(nèi)的蒸汽溫度、模擬巖心入口的蒸汽溫度能夠與實(shí)驗(yàn)要求保持一致，進(jìn)入模擬巖心的蒸汽溫度可測(cè)、可控、可信。這樣就可保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻B續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。河南油田研發(fā)的稠油油藏過熱蒸汽驅(qū)高溫物理模型實(shí)驗(yàn)流程和裝置實(shí)驗(yàn)溫度可達(dá)370℃，并可制造長(zhǎng)巖心（巖心長(zhǎng)度1.2m）的物理模擬。開展該實(shí)驗(yàn)研究工作，不僅能促進(jìn)注汽鍋爐“以煤代油”的燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整，有效降低稠油開發(fā)注汽系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且還能改善特超稠油高周期蒸汽吞吐開發(fā)效果，有效動(dòng)用低品位超稠油儲(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)特超稠油蒸汽吞吐開發(fā)方式的合理轉(zhuǎn)換。

（2）溫度控制及溫度檢測(cè)系統(tǒng)是全套裝置的重點(diǎn)部分，它的測(cè)試精度和穩(wěn)定性直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。選用直徑1.5mm的K型熱電偶，通過紫銅壓墊密封將熱電偶直接插入巖心的中部進(jìn)行測(cè)溫，以使測(cè)試的溫度更加真實(shí)、可靠。應(yīng)選用技術(shù)成熟的溫度巡檢儀進(jìn)行模型各測(cè)溫點(diǎn)的溫度測(cè)試。

（3）河南油田近年在井樓油田三區(qū)薄層特稠油油藏中開展了4個(gè)反九點(diǎn)井組的過熱蒸汽驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取得了較好效果。三口井平均過熱度達(dá)到8.4℃，有三分之二的井在井底能達(dá)到過熱蒸汽，井底蒸汽干度達(dá)到100%，淺薄層特稠油油藏蒸汽驅(qū)井底注汽干度也得到大幅度提高。過熱蒸汽開采與濕蒸汽相比，由于注入蒸汽溫度高、蒸汽干度高，對(duì)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性、相對(duì)滲透率、過熱蒸汽驅(qū)后殘余油成分、驅(qū)油效率和蒸汽的波及體積均有較大影響，對(duì)稠油熱采有較好的改善作用。河南井樓油田三區(qū)Ⅲ6層的特超稠油采用過熱蒸汽驅(qū)取得較好效果就是案例之一。過熱蒸汽較濕蒸汽注入蒸汽熱焓增加27.5%～33.0%，相當(dāng)增加濕蒸汽234 t，周期產(chǎn)油量增加268 t，含水下降6個(gè)百分點(diǎn)。從井樓油田特超稠油高溫驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，純蒸汽殘余油飽和度低（12.5%～17.3%），驅(qū)油效率高（73.1%～80.8%）；蒸汽干度提高10%，殘余油飽和度降低1.5%，驅(qū)油效率提高2.3%。

（4）過熱蒸汽驅(qū)的模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于原油蒸汽蒸餾率的實(shí)驗(yàn)研究也很重要。隨著近幾年過熱蒸汽驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，充分認(rèn)識(shí)蒸汽蒸餾率的作用機(jī)理、測(cè)定不同原油在飽和條件和過熱條件下的蒸汽蒸餾率數(shù)據(jù)顯得尤為必要。這是因?yàn)椋驼羝麴s率與Vw/Voi的關(guān)系曲線可以用于估算蒸汽驅(qū)過程中地下產(chǎn)生溶劑帶的大小。通過室內(nèi)蒸汽蒸餾實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，可以估計(jì)蒸汽驅(qū)過程中油藏可用于蒸餾的原油量（Voi）和所需要的蒸汽量。當(dāng)估算出這些數(shù)據(jù)后，蒸汽驅(qū)過程中溶劑帶的大小將很容易確定，以輔助蒸汽驅(qū)的設(shè)計(jì)及操作。對(duì)于河南油田來說，注蒸汽開發(fā)已近30年，而關(guān)于原油的蒸汽蒸餾率還缺乏定量數(shù)據(jù)，不同原油注飽和蒸汽和過熱蒸汽時(shí)的蒸汽蒸餾率及蒸餾機(jī)理對(duì)注過熱蒸汽驅(qū)提高采收率的貢獻(xiàn)率的研究尚屬空白，所以此課題應(yīng)當(dāng)引起該油田的關(guān)注和重視。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.009